(57)【要約】【課題】冷却装置の振動に起因するマイクロフォニック雑音の出力信号での発生が低減されたＸ線検出装置を提供する。【解決手段】Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子１１を有する検出部１０と、半導体Ｘ線検出素子１１を冷却する冷却装置２０と、冷却動作により冷却装置２０で発生する機械的振動と同一周期且つ同一方向に検出部１０が振動するように、検出部１０と冷却装置２０とを剛性的に接続する接続装置３０とを備える。【選択図】図１
2013068502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子を有する検出部と、
前記半導体Ｘ線検出素子を冷却する冷却装置と、
冷却動作により前記冷却装置で発生する機械的振動と同一周期且つ同一方向に前記検出部が振動するように、前記検出部と前記冷却装置とを剛性的に接続する接続装置と
を備えることを特徴とするＸ線検出装置。
【請求項２】
前記接続装置が、
前記冷却装置を搭載する固定ベースと、
前記固定ベースに前記冷却装置を固定する固定リングと、
前記固定ベースに前記検出部を固定するフランジと、
前記固定リングと前記フランジとを固定する固体バーと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出装置。
【請求項３】
前記冷却装置が、スターリング冷凍機であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線検出装置。
【請求項４】
前記検出部が、
Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子と、
前記半導体Ｘ線検出素子の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路と、
前記半導体Ｘ線検出素子と前記初段ＦＥＴ回路を支持する、前記冷却装置と熱的に接続されたコールドフィンガーと
を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイクリック動作を行う冷却装置によって半導体Ｘ線検出素子を冷却するＸ線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体Ｘ線検出素子を用いた、物質から放出される物質固有のＸ線を分析するＸ線分析装置が使用されている。これらのＸ線分析装置は、半導体Ｘ線検出素子を冷却するために冷却装置を有する。
【０００３】
例えば、液体窒素を用いる冷却装置によって半導体Ｘ線検出素子を冷却することが可能である。しかし、液体窒素を用いる冷却装置では、定期的に液体窒素を冷却装置に供給する必要がある。このため、冷却装置の維持が容易でなく、液体窒素の入手が困難な場所での使用が難しい。また、液体窒素を蓄える冷却槽を必要とするため、液体窒素型のＸ線検出装置の小型化は困難である。
【０００４】
このため、液体窒素を用いない、スターリング冷凍機などのサイクリック動作によって冷却を行う冷却装置の使用が検討されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−７７５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、サイクリック動作を行う冷却装置によって半導体Ｘ線検出素子を含む検出部を冷却する場合には、図７に示す初段増幅器のフィードバック容量として働く浮遊容量Ｃｓの変動が冷却装置の機械的な振動による検出器真空容器と初段ＦＥＴ入力配線の相対位置変化により誘発され検出部の出力信号にマイクロフォニック雑音が発生する。このため、Ｘ線検出装置のエネルギー分解能が低下するという問題があった。
【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、冷却装置の振動に起因するマイクロフォニック雑音の出力信号での発生が低減されたＸ線検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子を有する検出部と、半導体Ｘ線検出素子を冷却する冷却装置と、冷却動作により冷却装置で発生する機械的振動と同一周期且つ同一方向に検出部が振動するように、検出部と冷却装置とを剛性的に接続する接続装置とを備え振動による浮遊容量の変化を小さくしたＸ線検出装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、冷却装置の振動に起因するマイクロフォニック雑音の出力信号での発生が低減されたＸ線検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るＸ線検出装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＸ線検出装置の冷却装置の固定方法例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＸ線検出装置の検出部の固定方法例を示す模式図である。
【図４】比較例のＸ線検出装置の出力信号の波形例を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係るＸ線検出装置の出力信号の波形例を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係るＸ線検出装置により得られるスペクトルの例を示すグラフである。
【図７】本発明を説明するためのマイクロフニック雑音発生原理を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係るＸ線検出装置１は、図１に示すように、Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子１１を有する検出部１０と、半導体Ｘ線検出素子１１を冷却する冷却装置２０と、冷却動作により冷却装置２０で発生する機械的振動と同一周期且つ同一方向に検出部１０が振動するように、検出部１０と冷却装置２０とを剛性的に接続する接続装置３０とを備える。
【００１３】
先ず、検出部１０の構成について説明する。検出部１０は、半導体Ｘ線検出素子１１と、半導体Ｘ線検出素子１１の出力信号を受信する初段ＦＥＴ回路１２と、半導体Ｘ線検出素子１１と初段ＦＥＴ回路１２を支持するコールドフィンガー１３を有する。コールドフィンガー１３は例えば筒形状であり、この場合、半導体Ｘ線検出素子１１及び初段ＦＥＴ回路１２はコールドフィンガー１３の内部に格納される。
【００１４】
図１に示すように、半導体Ｘ線検出素子１１、初段ＦＥＴ回路１２及びコールドフィンガー１３を有する検出部１０は、支持板１０１に支持されて真空容器１４の内部に固定されている。Ｘ線検出時に、真空容器１４の内部は真空状態に維持される。図示を省略する測定対象物から放出されたＸ線（以下において「入射Ｘ線」という。）ＸINは、真空容器１４に配置された入射窓１５を透過して、半導体Ｘ線検出素子１１に入射する。入射窓１５は、例えばベリリウム（Ｂｅ）からなる。
【００１５】
半導体Ｘ線検出素子１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）単結晶にリチウム（Ｌｉ）を拡散させて形成したＰ−Ｉ−N接合を有する半導体素子である。入射Ｘ線ＸINが半導体Ｘ線検出素子１１に入射すると、Ｉ層に入射した入射Ｘ線ＸINにより半導体Ｘ線検出素子１１内に電子と正孔が生じ、外部に電流パルスとして検出される。
【００１６】
初段ＦＥＴ回路１２は、半導体Ｘ線検出素子１１から出力される電気的な出力信号を受信する。具体的には、入射Ｘ線ＸINの入射によって半導体Ｘ線検出素子１１に生成された検出電流が、初段ＦＥＴ回路１２の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート電極に入力される。そして、半導体Ｘ線検出素子１１の検出電流は、初段ＦＥＴ回路１２によって、入射Ｘ線ＸINのエネルギーに比例した電圧に変換・増幅され、検出信号として出力される。
【００１７】
初段ＦＥＴ回路１２から出力された検出信号は、プリアンプ１００により増幅される。プリアンプ１００から出力される出力信号ＳＴを解析することにより、測定対象物に含まれる元素を特定可能である。
【００１８】
コールドフィンガー１３は、半導体Ｘ線検出素子１１及び初段ＦＥＴ回路１２を支持すると共に、半導体Ｘ線検出素子１１及び初段ＦＥＴ回路１２を冷却するために、冷却装置２０と熱的に接続されている。図１に示した例では、支持板１０１、編組線１６及び熱伝導体２１１を介してコールドフィンガー１３が冷却装置２０と熱的に接続されている。これにより、コールドフィンガー１３は冷却装置２０によって冷却される。
【００１９】
支持板１０１、編組線１６は、例えば銅（Ｃｕ）などの熱伝導性の高い材料からなり、冷却装置２０の表面に配置される低温部２１０と熱的に接続されている。図１において、ハッチングを付して低温部２１０を示している。支持板１０１及び編組線１６を介して冷却装置２０によってコールドフィンガー１３が冷却される。そして、冷却されたコールドフィンガー１３に接触する半導体Ｘ線検出素子１１及び初段ＦＥＴ回路１２が冷却される。
【００２０】
低温部２１０は、冷却装置２０のコールドヘッド２１の一部であり、真空容器１４の内部に配置される。また、編組線１６を低温部２１０と直接に接続することが困難である場合には、図１に示すように、低温部２１０に接触する高熱伝導率の熱伝導体２１１に編組線１６を接続する。
【００２１】
コールドフィンガー１３の素材を熱伝導率の高い材料、例えば銅やアルミニウムなどにすることによって、半導体Ｘ線検出素子１１及び初段ＦＥＴ回路１２を効率的に冷却することができる。
【００２２】
次に、冷却装置２０について説明する。サイクリック動作を行うことによって半導体Ｘ線検出素子１１を液体窒素温度近辺まで冷却する冷却装置２０には、例えばスターリング冷凍機などが採用可能である。サイクリック動作を行う冷却装置２０では、冷却動作時における振動の発生が避けられない。
【００２３】
ここで、冷却動作時において冷却装置２０に発生する機械的な振動の方向（以下において、「振動方向」という。）が、図１に矢印Ｙで示した横方向、即ち図面の左右方向であるとする。つまり、冷却装置２０の振動方向は、検出部１０と冷却装置２０の配置された方向に沿っている。図１に示した実施形態では、カウンターバランス２２を冷却装置２０の振動方向に配置することによって、冷却装置２０の振動の大きさが抑制されている。また、ラジエータ２３による送風により、冷却装置２０の放熱が行われる。
【００２４】
冷却装置２０は、固定ベース３１に搭載され、固定リング３２によって冷却装置２０が固定ベース３１に固定されている。固定リング３２の上部に、２本の固定バー３３が固定されている。固定バー３３は、固定ベース３１に検出部１０を固定するフランジ３４と固定リング３２とを固定する。
【００２５】
図２に、振動方向からみた冷却装置２０の状態を示す。図２に示すように、略円形の冷却装置２０の外周に沿って固定リング３２が配置され、ねじ４０ａ〜４０ｃによって固定リング３２が冷却装置２０に固定されている。固定リング３２は、ねじ５０ａ〜５０ｂによって固定ベース３１に固定されている。これにより、冷却装置２０は固定ベース３１に固定される。なお、固定バー３３は、ねじ６０ａ〜６０ｂによってそれぞれ固定リング３２に固定されている。
【００２６】
図３に、振動方向からみたフランジ３４の状態を示す。図１、図３に示すように、フランジ３４の中心部に冷却装置２０のコールドヘッド２１が嵌め込まれている。また、真空容器１４の開口部分がフランジ３４によって塞がれるように、コールドヘッド２１が嵌め込まれた領域の周囲において、検出部１０がフランジ３４に固定されている。つまり、真空容器１４とフランジ３４によって、真空容器１４内部の真空領域が形成される。したがって、コールドヘッド２１が、真空容器１４内部の真空領域に配置されることになる。
【００２７】
フランジ３４の底部は、ねじ７０ａ〜７０ｂによって、固定ベース３１に固定されている。そして、フランジ３４の上部と固定バー３３とはねじ８０ａ〜８０ｂによって固定されている。したがって、固定リング３２とフランジ３４とは、固定バー３３及び固定ベース３１を介して剛性的に接続されている。その結果、検出部１０と冷却装置２０とが剛性的に接続される。
【００２８】
なお、同相で振動するように検出部１０と冷却装置２０とを剛性的に接続することができるのであれば、接続装置３０の構成は上記に限られない。例えば、固定バー３３の本数は２本に限られない。また、固定リング３２とフランジ３４とをシート状の材料でつなぎ、冷却装置２０の側面を覆ってもよい。
【００２９】
真空容器１４とフランジ３４とによって形成される真空領域に、コールドヘッド２１の低温部２１０と、コールドフィンガー１３とが、支持板１０１、編組線１６及び熱伝導体２１１を介して熱的に接続されている。これにより、コールドフィンガー１３が冷却装置２０によって冷却される。
【００３０】
上記のように、固定ベース３１、固定リング３２、固定バー３３、及びフランジ３４は、検出部１０と冷却装置２０とを剛性的に接続する接続装置３０として機能する。固定ベース３１、固定リング３２、固定バー３３、及びフランジ３４は、例えばアルミニウム材やＳＵＳなどのステンレス鋼材からなる。
【００３１】
冷却装置２０が振動すると、その振動が接続装置３０を介して検出部１０に伝播する。上記のように、固定ベース３１、固定リング３２、固定バー３３、及びフランジ３４によって検出部１０と冷却装置２０とが剛性的に接続されているため、検出部１０は、冷却装置２０の振動と同一方向に同一周期で振動する。つまり、検出部１０と冷却装置２０が同相で振動する。
【００３２】
例えばスターリング冷凍機により検出部１０を冷却する場合を考える。検出部１０とスターリング冷凍機とを剛性的に接続しない場合は、スターリング冷凍機の発生する振動（振幅は１０μｍ程度）により、半導体Ｘ線検出素子１１の検出信号を増幅するプリアンプ１００の出力信号ＳＴに、図４に示すようにマイクロフォニック雑音が発生する。その結果、Ｘ線検出装置のエネルギー分解能が劣化する。
【００３３】
しかし、図１に示したＸ線検出装置１では、検出部１０と冷却装置２０とは接続装置３０によって剛性的に接続されている。このため、検出部１０と冷却装置２０は、冷却装置２０の機械的振動と同一方向に同一周期で、同相に振動する。検出部１０と冷却装置２０とが同相で振動するように機械的剛性を高めたことによって、図５に示すように、プリアンプ１００の出力信号ＳＴには、冷却装置２０において発生する振動に起因するマイクロフォニック雑音は発生しない。
【００３４】
図６に、図１に示したＸ線検出装置１により得られたスペクトルＡと、液体窒素冷却型のＸ線検出装置により得られたスペクトルＢとの比較を示す。図６は、Ｆｅ５５線源からＭｎＫａ−Ｘ線スペクトルを比較した例である。
【００３５】
図６に示すように、Ｘ線検出装置１では、検出部１０と冷却装置２０が同相で振動することによりマイクロフォニック雑音が出力信号に発生しないため、液体窒素冷却型のＸ線検出装置と同等のエネルギー分解能が得られる。
【００３６】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るＸ線検出装置１では、接続装置３０によって検出部１０と冷却装置２０とが剛性的に接続され、検出部１０と冷却装置２０とは同一周期、同一方向に振動する。その結果、冷却装置２０の振動に起因するマイクロフォニック雑音の出力信号での発生が低減されたＸ線検出装置を提供できる。
【００３７】
したがって、Ｘ線検出装置１によれば、無振動の液体窒素冷却型のＸ線検出装置と同等のエネルギー分解能が得られる。つまり、液体窒素冷却型のＸ線検出装置と比較して冷却装置の維持が容易であり、且つ小型化の容易なサイクリック動作を行うＸ線検出装置を、エネルギー分解能の低下なしに実現できる。
【００３８】
なお、本発明の実施形態に係るＸ線検出装置１は、例えばエネルギー分散型臨界Ｘ線分析装置（ＥＤＸＲＦ）やエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）などのＸ線検出装置として使用できる。更に、本発明は、サイクリック動作により冷却を行う冷却装置の振動に起因して発生するマイクロフォニック雑音が性能に影響する、各種の装置に適用することも可能である。
【００３９】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４０】
既に述べた実施形態の説明においては、コールドフィンガー１３に接触する支持板１０１が編組線１６によって冷却装置２０と熱的に接続されている例を示した。しかし、検出部１０と冷却装置２０は同相で振動するため、熱伝導性の良い材料であれば、弾力のある編組線１６ではなく、剛体で支持板１０１と冷却装置２０とを熱的に接続してもよい。
【００４１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１…Ｘ線検出装置
１０…検出部
１１…半導体Ｘ線検出素子
１２…初段ＦＥＴ回路
１３…コールドフィンガー
１４…真空容器
１５…入射窓
１６…編組線
２０…冷却装置
２１…コールドヘッド
２２…カウンターバランス
２３…ラジエータ
３０…接続装置
３１…固定ベース
３２…固定リング
３３…固定バー
３４…フランジ
１００…プリアンプ
２１０…低温部
２１１…熱伝導体
【図１】
2013068502.tif 000003
【図２】
2013068502.tif 000004
【図３】
2013068502.tif 000005
【図４】
2013068502.tif 000006
【図５】
2013068502.tif 000007
【図６】
2013068502.tif 000008
【図７】
2013068502.tif 000009